JP2013228387A - 原子炉用熱除去システムおよび方法 - Google Patents

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L Heck Charles
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Abstract

【課題】原子炉用熱除去システムおよび、その方法を提供する。
【解決手段】熱除去システムが、伝熱媒体を貯蔵するように構成されている貯蔵タンクと、伝熱媒体を貯蔵タンクから原子炉30に選択的に移送するように構成されている移送システムと、移送システムに作動可能に連結されている送出システムとを備える。送出システムが、伝熱媒体を原子炉の圧力抑制プール室10に送出するように構成されている。圧力抑制プール室が、圧力抑制プール15を収容する。
【選択図】図1

Description

例示的な実施形態は、一般に原子炉に関し、より詳細には、沸騰水型原子炉(BWR:Boiling Water Reactor)原子炉の圧力抑制プール用の代替冷却システムのための方法および装置に関する。冷却システムは、プラント電力が中断される、または他の方法で圧力抑制プールの通常の冷却が損なわれる原因となるプラントの緊急事態が発生した場合に、特に有益となり得る。また、冷却システムは、従来の残余熱除去システムを補うために使用することもできる。
図1は、従来の沸騰水型原子炉(BWR)原子炉建屋の切断図である。原子炉建屋5は、圧力抑制プール15が配置されている圧力抑制プール室10を含む。圧力抑制プール15は、原子炉建屋の一次格納容器の部分を形成する円環体形状の筐体である。具体的には、圧力抑制プール15は鋼製の一次格納容器20の延長部分であり、一次格納容器20は、原子炉建屋5のシェル25内に配置されている。圧力抑制プール15は、原子炉30および使用済み燃料プール35の下部に配置され、ある種の事故発生中に格納容器圧力が増加することを制限するために使用される。特に、圧力抑制プール15は、プラント事故発生中に放出される蒸気を冷却し凝縮するために使用される。例えば、プラント安全/逃がし弁は、蒸気を圧力抑制プール15内に排出し、蒸気を凝縮し、望ましくない圧力の増加を軽減するように設計されている。従来、BWR圧力抑制プール15は、全直径(すなわち、配置図直径)で約140フィートであり、直径30フィートの円環体形状のシェルを有する。通常の作動中に、圧力抑制プール15は、通常、プール内に深さ約15フィートの水を有する(通常の作動中に、圧力抑制プール15内に約1,000,000ガロンの圧力抑制プール水を有する)。
プール15は、従来、BWRプラントの残余熱除去(RHR:residual heat removal)システムによって、浄化および冷却される。通常の(事故ではない)プラント状態の間、RHRシステムは、圧力抑制プール15から(従来のRHRポンプを使用して)水を除去し、水の中に含まれる可能性のある不純物およびいくつかの放射性同位体を除去するための純水装置(図示せず)を通して水を送ることができる。プラント事故発生中、RHRシステムもまた、いくらかの圧力抑制プール水を圧力抑制プール15から除去し、冷却のためにその水を熱交換器(RHRシステム内)に送るように設計されている。
重大なプラントの事故発生中、通常のプラント電力が中断される場合がある。特に、プラントには、従来のRHRシステムおよびポンプを作動する通常の電力がない場合がある。電力が長い時間中断された場合、圧力抑制プール15内の水がついには沸騰することがあり、プラント蒸気を凝縮し、格納容器圧力を減少させる圧力抑制プール15の能力を損なうおそれがある。
プラントの緊急事態には、RHRシステムを使用すると、高度な放射性水(許容設計限度を超える)が、圧力抑制プール15とRHRシステム(一次格納容器の外側に配置されている)との間で移送されることになり得る。高度な放射性水を圧力抑制プール15とRHRシステムとの間で移送すると、それ自体、圧力抑制プール15から漏れ出る有害な放射性同位体の漏れが潜在的に増加することになる。加えて、RHRシステムの領域内の放射線量比率が、事故発生中、極めて高くなる可能性があり、プラントの作業員がシステムに接近し、制御することが困難になる。
米国特許第5043136号明細書
少なくとも1つの実施形態が、原子炉用熱除去システムを対象とする。
一実施形態では、熱除去システムが、伝熱媒体を貯蔵するように構成されている貯蔵タンクと、伝熱媒体を貯蔵タンクから原子炉に選択的に移送するように構成されている移送システムと、移送システムに作動可能に連結されている送出システムとを備える。送出システムが、伝熱媒体を原子炉の圧力抑制プール室に送出するように構成されている。圧力抑制プール室が、圧力抑制プールを収容する。
一実施形態では、移送システムが、伝熱媒体の流れを制御するように構成されている少なくとも1つのバルブを含む。
一実施形態では、送出システムが、圧力抑制プール室内に少なくとも1つの開口を画定する。例えば、開口が圧力抑制プール室の中間点よりも上に配置可能である。
一実施形態では、送出システムが、伝熱媒体を圧力抑制プールの筐体上へ送出して、熱を除去するように構成されている。
一実施形態では、熱除去システムが、圧力抑制プール室からガスを逃がすように構成されている通気孔をさらに含む。
少なくとも1つの実施形態が、原子炉から熱を除去する方法を対象とする。
一実施形態では、方法が、伝熱媒体が貯蔵タンクから熱移送システムを介して送出システムに流れることを可能にするように、移送システムの少なくとも1つの流れ制御バルブを作動させるステップを含む。送出システムが、伝熱媒体を原子炉の圧力抑制プール室に供給するように構成されており、圧力抑制プール室が圧力抑制プールを収容する。
少なくとも1つの実施形態が、原子炉用熱除去システムを提供する方法を対象とする。
一実施形態では、方法が、原子炉内に送出システムを設置するステップを含む。送出システムが、伝熱媒体を圧力抑制プール室に送出するように構成されており、圧力抑制プール室が、圧力抑制プールを含む。その方法は、さらに、圧力抑制プール室内に少なくとも1つの通気孔を設置するステップを含む。通気孔が、圧力抑制プール室からガスを逃がすように構成されている。
その方法は、送出システムと貯蔵タンクとの間に移送システムを連結するステップをさらに含む。貯蔵タンクが伝熱媒体を貯蔵し、移送システムが、伝熱媒体を貯蔵タンクから送出システムに選択的に移送するように構成されている。
例示的な実施形態の上記および他の特徴ならびに利点が、添付の図面に関して例示的な実施形態を詳細に説明することによってより明らかになるであろう。以下の図面は、例示的な実施形態を説明するためであり、特許請求の範囲の意図している範囲を限定するためではないと解釈されたい。以下の図面は、明確に述べられていない限り、原寸に比例して示されていると考えるべきではない。
従来の沸騰水型原子炉(BWR)原子炉建屋の切断図である。 本発明による、BWR建屋および熱除去システムの切断図である。 別の例示的な実施形態の移送システムの図である。 別の例示的な実施形態の移送システムの図である。 さらに別の実施形態の送出システム120の図である。 熱除去システムを設置する方法の図である。 例示的な実施形態による熱除去の方法の図である。
詳細な例示的な実施形態を本明細書に開示する。しかし、本明細書に開示する特定の構造的、および機能的な詳細は、単に例示的な実施形態を説明するために示している。しかし、例示的な実施形態は、多くの代替形態で実施することができ、本明細書に説明する実施形態にのみ限定されると考えるべきではない。
したがって、例示的な実施形態は様々な修正形態および代替形態であることができるが、その実施形態は、図面の中の例によって示され、本明細書に詳細に説明することになる。しかし、例示的な実施形態を開示する特定の形態に限定する意図はなく、むしろそれとは反対に、例示的な実施形態は、例示的な実施形態の範囲内に入るすべての修正形態、均等物、および代替形態を包含すべきであることを理解されたい。同じ符号は、図面全体で同じ構成要素を指す。
第1の、第2のなどの用語は、様々な要素を説明するために本明細書で使用する場合があるが、これらの要素をこれらの用語に限定するのではないということを理解されたい。1つの要素と別の要素とを区別する目的でのみこれらの用語を使用する。例えば、第1の要素は第2の要素と呼ぶことができ、同様に、例示的な実施形態の範囲を逸脱することなく、第2の要素は第1の要素と呼ぶことができる。本明細書で使用すると、「および/または」という用語は、1つまたは複数の、関連して記載されている項目の任意の、およびすべての組合せを含む。
ある要素が別の要素に「連結される(connected)」、「結合される(coupled)」と述べる場合、その要素は他の要素に直接的に連結または結合されている場合があり、または介在する要素が存在する場合があることを理解されたい。対照的に、ある要素が別の要素に「直接連結される(directly connected)」、または「直接結合される(directly coupled)」と述べる場合、介在する要素は存在しない。要素間の関係を説明するために使用する他の語は、そのようなものとして(例えば、「間に(between)」対「直接間に(directly between)」、「隣接する(adjacent)」対「直接隣接する(directly adjacent)」など)解釈するべきである。
本明細書で使用する用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものであり、例示的な実施形態を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合、単数形「a」、「an」および「the」は、別段文脈により明確に示されない限り、複数形もまた含むものとする。「comprises(備える)」、「comprising(備える)」、「includes(含む)」および/または「including(含む)」という用語は、本明細書で使用する場合、述べる特徴、整数、ステップ、動作、要素、および/または構成要素の存在を特定するが、しかし、1つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、作動、要素、構成要素、および/またはそのグループの存在または追加を排除するものではないことをさらに理解されたい。
記載するいくつかの代替の実施、機能/作用が、図面の中で記載される順番通りではなく発生する場合があることにも留意されたい。例えば、連続して示される2つの図面が、含まれる機能/作用に応じて、実際は実質的に同時に実施される場合があり、または逆の順番で実施される場合がある。
図2は、例示的な実施形態による、沸騰水型原子炉(BWR)原子炉建屋および熱除去システムの切断図である。原子炉建屋5は、圧力抑制プール室10を備え、圧力抑制プール室10の中に圧力抑制プール15が配置されている。圧力抑制プール15は、原子炉建屋の一次格納容器の部分を形成する円環体形状の筐体であり、圧力抑制プール水を含む。具体的には、圧力抑制プール15は鋼製の一次格納容器20の延長部分であり、一次格納容器20は、原子炉建屋5のシェル25内に配置されている。圧力抑制プール15は、原子炉30および使用済み燃料プール35の下部に配置され、ある種の事故発生中に格納容器圧力が増加することを制限するために使用される。特に、圧力抑制プール15は、通常の状態、および通常ではない状態の間にプラント安全弁から放出される蒸気を冷却し凝縮するために使用される。例えば、多くのプラント安全/逃がし弁は、蒸気を圧力抑制プール15内に排出し、蒸気を凝縮し、格納容器内の望ましくない圧力の増加を軽減するように設計されている。この例では、BWR圧力抑制プール15は、全直径が約140フィート(すなわち、配置図直径)であり、直径30フィートの円環体形状の筐体またはシェルを有する。通常の作動中に、圧力抑制プール15は、プール内に深さ約15フィートの圧力抑制プール水を有することができる(通常の作動中に、圧力抑制プール15内に約1,000,000ガロンの圧力抑制プール水を有する)。
プール15は、BWRプラントの残余熱除去(RHR)システムによって、浄化および冷却され得る。通常の(事故ではない)プラント状態の間、RHRシステムは、圧力抑制プール15から水を除去し(従来のRHRポンプを使用して)、水の中に含まれる可能性のある不純物およびいくつかの放射性同位体を除去するための純水装置(図示せず)を通して水を送ることができる。プラント事故発生中、RHRシステムもまた、冷却のために熱交換器(RHRシステム内)で圧力抑制プールから熱を除去するように設計されている。
一実施形態により、熱除去システムがさらに設けられる。熱除去システムは、貯蔵タンク105、移送システム110および送出システム120を備える。貯蔵タンク105は、伝熱媒体107を貯蔵する。伝熱媒体107は、水または海水などであってよい。一実施形態では、貯蔵タンク105は、圧力抑制プール15の中間点Mよりも高い高さに配置されている。
移送システム110は、貯蔵タンク105からBWR建屋5までの1つまたは複数の流体連通通路をもたらすように構成されている。例えば、移送システム110は、第1のパイプ113、流れ制御バルブ115および第2のパイプ117を含むことができる。第1のパイプ113は、貯蔵タンク105から伝熱媒体107を受け取る。流れ制御バルブ115は、第1のパイプ113から第2のパイプ117までの伝熱媒体107の流れを制御する。第2のパイプ117は、BWR建屋5の送出システム120に伝熱媒体107を供給する。移送システム110は、貯蔵タンク105から伝熱媒体107を受け取る1つまたは複数のパイプを含むことができることを理解されたい。移送システム110は、送出システム120に伝熱媒体107を供給する1つまたは複数のパイプを含むことができることをさらに理解されたい。さらに、移送システム110は、貯蔵タンク105から送出システム120までの伝熱媒体107の流れを制御する1つまたは複数の流れ制御バルブを含むことができることをさらに理解されたい。
例えば、図3Aは、移送システム110の別の例示的な実施形態を図示する。この実施形態では、移送システム110は、複数の第2のパイプ117−1〜117−Nを含み、Nは1よりも大きい整数である。図3Bは、移送システム110の別の例示的な実施形態を図示する。この実施形態では、移送システム110は、複数の第1のパイプ113−1〜113−Nを含み、複数の流れ制御バルブ115−1〜115−Nに1対1で対応し、複数の第2のパイプ117−1〜117−Nに1対1で対応しており、Nは1よりも大きい整数である。
図2に戻ると、送出システム120は、移送システム110に連結され、圧力抑制プール室10の中に貫通している少なくとも1つのパイプ123を備える。パイプ123は、伝熱媒体107を圧力抑制プール室10の中に送出するために、圧力抑制プール室10の中に少なくとも1つの開口125を画定する。一実施形態では、開口125は、圧力抑制プール15の中間点Mよりも少なくとも上にある。さらに、図2に示すように、開口125は圧力抑制プール15の上方に配置可能であり、圧力抑制プール室10の中に流れ込む伝熱媒体107が、圧力抑制プール15の筐体の上方に流れるようになる。
送出システム120は、移送システム110に連結され、圧力抑制プール室10の中に1つまたは複数の開口125を画定する1つまたは複数のパイプ123を含むことができることを理解されたい。さらに、複数のパイプ123が設けられる場合、複数のパイプ123は、圧力抑制プール室10の周りの異なる位置に配置可能である。一実施形態では、1つまたは複数のパイプ123が、圧力抑制プール15の中間点Mよりも少なくとも上に配置される。さらに、一実施形態では、複数のパイプ123の開口125の少なくとも1つが圧力抑制プール15の上方に配置可能であり、圧力抑制プール室10の中に流れ込む伝熱媒体107が、圧力抑制プール15の筐体の上方に流れるようになる。
図4は、送出システム120の別の実施形態を図示する。この実施形態では、送出システム120が、入口パイプ140およびマニホルド145を含む。入口パイプ140は、移送システム110に連結され、圧力抑制プール室10の中に貫通している。マニホルド145は、入口パイプ140に連結され、移送システム110から入口パイプ140を通って流れる伝熱媒体107が、マニホルド145内に流れ込むようになっている。マニホルド145は、複数の開口147を含む環状パイプであることができ、開口147から伝熱媒体107が、圧力抑制プール室10内に流れ込む。図4に示すように、マニホルド145は、圧力抑制プール15の上方に配置され、マニホルド145によって供給される伝熱媒体107が、圧力抑制プール15の筐体の上方に流れるようになる。図4の実施形態では、支柱150を圧力抑制プール室10の壁に固定し、マニホルド145を圧力抑制プール15よりも上で支持するようにマニホルド145に取り付けることができる。
図4の実施形態では、マニホルド145は、圧力抑制プール15の形状に対合する環状形状を有するように示されている。しかし、マニホルドは、この形状に限定されるものではない。例えば、マニホルド145は、多角形の形状を有することができ、それでもやはり、実質的に圧力抑制プール15の上方に配置可能である。
例示的な実施形態は、マニホルド145に連結されている単一の入口パイプを有する送出システムに限定されないことをさらに理解されたい。例示的な実施形態は、単一のマニホルドを有する送出システムに限定されないことをさらに理解されたい。
別の実施形態では、マニホルドの代わりに、スプリンクラシステムが設けられて、伝熱媒体107を圧力抑制プール15上へ噴霧することができる。
加えて、実施形態は、単一の貯蔵タンク、および/または単一の移送システム、および/または単一の送出システムに限定されない。
図2にさらに示すように、熱除去システムは、また、1つまたは複数の通気孔130を含むことができる。各通気孔130は、ガスが圧力抑制プール室10から逃げることができるように構成されている。理解されるように、十分に高い温度は、伝熱媒体107をガス状態に変化させ、圧力抑制プール室10内の圧力を増加させる原因になる場合がある。1つまたは複数の通気孔130がこの圧力を低減して、追加の安全対策をもたらす。
次に、熱除去システムの設置および作動を図5および図6に関連して説明することになる。図5は、熱除去システムを設置する方法を図示する。図示のように、方法は、ステップS510で、BWR建屋5の中に送出システム120および通気孔130を設置するステップを含む。次に、ステップS520で、送出システム120は、移送システム110に連結される。移送システム110は、貯蔵タンク105に既に連結されていてもよく、または送出システム120に連結された後、貯蔵タンクに連結されてもよい。
図6は、例示的な実施形態による、熱除去の方法を図示する。図示のように、方法は、ステップS610で、移送システム110の少なくとも1つの流れ制御バルブ115を作動させるステップを含み、伝熱媒体107が、移送システム110を介して貯蔵タンク105から送出システム120に流れることを可能にする。貯蔵タンク105は、圧力抑制プール15の中間点Mよりも上に配置され、重力により、伝熱媒体107が圧力抑制プール室10を満たし、圧力抑制プール15の少なくとも半分が伝熱媒体107の中に沈むことになる。流れ制御バルブ115は、電気信号によって作動可能であり、バルブの物理的係合部などによって作動可能である。別の例として、流れ制御バルブ115は爆発制御バルブであることができ、流れ制御バルブに関連する弾薬を爆発させるステップが、流れ制御バルブを作動させる。
移送システム110、および/または貯蔵タンク105は、移送システム110を通る伝熱媒体107をポンプで汲み出すポンプを含むことができる。
一実施形態では、貯蔵タンク105、流れ制御バルブ115およびそれに関連する制御は、プラント作業員の安全のために、圧力抑制プール15から離れている遠隔位置に配置可能である。すなわち、これらの要素の位置は、圧力抑制プール15から離れていることができ、それによって、人による作業が放射線に曝される危険性を低減することが可能になる。
例示的な実施形態による熱除去システムは、BWRプラント作動の前に設置されてもよく、レトロフィット式のシステムとして設置されてもよい。
熱除去システムが、プラント事故の状態以外の時期の間に使用可能であることを理解されたい。例えば、熱除去システムは、RHRシステムによる通常の圧力抑制プールの冷却を単に補助するために使用可能であって、圧力抑制プールシステムに追加の温度設計の余裕を提供することができる。
したがって、例示的な実施形態について説明したが、その実施形態が多くの方法で変形可能であることは明らかである。そのような変形形態は、例示的な実施形態の意図する精神および範囲から逸脱していると見做すべきではなく、当業者にとって明らかな、そのようなすべての修正形態は、以下の特許請求の範囲の範囲内に含まれるとものとする。
5 原子炉建屋
10 圧力抑制プール室
15 圧力抑制プール
20 一次格納容器
25 シェル
30 原子炉
35 使用済み燃料プール
105 貯蔵タンク
107 伝熱媒体
110 移送システム
113 第1のパイプ
113−1 第1のパイプ
113−N 第1のパイプ
115 流れ制御バルブ
115−1 流れ制御バルブ
115−N 流れ制御バルブ
117 第2のパイプ
117−1 第2のパイプ
117−N 第2のパイプ
120 送出システム
123 パイプ
125 開口
130 通気孔
M 中間点
140 入口パイプ
145 マニホルド
147 開口
150 支柱
S510 送出システムおよび通気孔を設置する
S520 送出システムを移送システムに連結する
S610 少なくとも1つの流れ制御バルブを作動させる

Claims (20)

  1. 原子炉用熱除去システムであって、
    伝熱媒体を貯蔵するように構成されている貯蔵タンクと、
    前記伝熱媒体を前記貯蔵タンクから前記原子炉に選択的に移送するように構成されている移送システムと、
    前記移送システムに作動可能に連結され、前記伝熱媒体を前記原子炉の圧力抑制プール室に送出するように構成されている送出システムであって、前記圧力抑制プール室が圧力抑制プールを収容する、送出システムと
    を備えるシステム。
  2. 前記伝熱媒体が水である、請求項1記載のシステム。
  3. 前記移送システムが、少なくとも1つのパイプを含む、請求項1記載のシステム。
  4. 前記移送システムが、複数のパイプを含む、請求項3記載のシステム。
  5. 前記移送システムが、前記複数のパイプの少なくとも1つを通る前記伝熱媒体の流れを制御するように構成されている少なくとも1つのバルブを含む、請求項4記載の移送システム。
  6. 前記移送システムが、前記パイプを通る前記伝熱媒体の流れを制御するように構成されている少なくとも1つのバルブを含む、請求項3記載の移送システム。
  7. 前記送出システムが、前記圧力抑制プール室内に少なくとも1つの開口を画定する、請求項1記載のシステム。
  8. 前記開口が、前記圧力抑制プール室の中間点よりも上に配置されている、請求項7記載のシステム。
  9. 前記送出システムが、前記圧力抑制プール室内に複数の開口を画定し、前記複数の開口の2つ以上が前記圧力抑制プール室の前記中間点よりも上にある、請求項8記載のシステム。
  10. 前記送出システムが、前記伝熱媒体を前記圧力抑制プールの筐体上へ送出して、熱を除去するように構成されている、請求項8記載のシステム。
  11. 前記送出システムが、前記伝熱媒体を前記圧力抑制プールの筐体上へ送出するように構成されている、請求項7記載のシステム。
  12. 前記送出システムが、部分的に前記圧力抑制プールの筐体の上方に配置されている少なくとも1つのパイプを含み、前記パイプが、前記伝熱媒体を前記圧力抑制プールの前記筐体上へ送出するための少なくとも1つの開口を含む、請求項1記載のシステム。
  13. 前記送出システムが、前記伝熱媒体を前記圧力抑制プールの筐体上に噴霧するように構成されている噴霧機構を含む、請求項1記載のシステム。
  14. 前記貯蔵タンクが、前記圧力抑制プール室の中間点よりも上に配置されている、請求項1記載のシステム。
  15. 前記圧力抑制プール室からガスを逃がすように構成されている通気孔をさらに備える、請求項1記載のシステム。
  16. 原子炉から熱を除去する方法であって、
    伝熱媒体が貯蔵タンクから熱移送システムを介して送出システムに流れることを可能にするように、移送システムの少なくとも1つの流れ制御バルブを作動させるステップを含み、前記送出システムが、前記伝熱媒体を前記原子炉の圧力抑制プール室に供給するように構成されており、前記圧力抑制プール室が圧力抑制プールを収容する、方法。
  17. 前記作動させるステップが、前記流れ制御バルブの部分を形成する弾薬を爆発させるステップを含む、請求項16記載の方法。
  18. 前記作動させるステップが、他の熱移送技術と併せて実施される、請求項16記載の方法。
  19. 原子炉用熱除去システムを提供する方法であって、
    前記原子炉内に送出システムを設置するステップであって、前記送出システムが、伝熱媒体を圧力抑制プール室に送出するように構成されており、前記圧力抑制プール室が、圧力抑制プールを備える、ステップと、
    前記圧力抑制プール室内に少なくとも1つの通気孔を設置するステップであって、前記通気孔が、前記圧力抑制プール室からガスを逃がすように構成されている、ステップと
    を含む方法。
  20. 前記送出システムと貯蔵タンクとの間に移送システムを連結するステップであって、前記貯蔵タンクが前記伝熱媒体を貯蔵し、前記移送システムが、前記伝熱媒体を前記貯蔵タンクから前記送出システムに選択的に移送するように構成されている、ステップをさらに備える、請求項19記載の方法。
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